《Journal of Natural Fibers》：Structural, Mechanical, Thermal, and Preliminary Biological Characterization of Cymbopogon citratus Leaf Fibers for Sustainable Material Applications
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对可持续生物基材料日益增长的需求，提高了人们对尚未充分利用的植物纤维作为工程应用环境友好替代材料的兴趣。本研究采用环境友好的水浸渗工艺提取 Cymbopogon citratus 叶纤维，并通过傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infra
对可持续生物基材料日益增长的需求，提高了人们对尚未充分利用的植物纤维作为工程应用环境友好替代材料的兴趣。本研究采用环境友好的水浸渗工艺提取 Cymbopogon citratus 叶纤维，并通过傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR）、拉伸测试、热重分析（thermogravimetric analysis, TGA）、抗菌试验和共聚焦激光扫描显微镜（confocal laser scanning microscopy, CLSM）进行表征。FTIR分析鉴定出特征性木质纤维素官能团，3360、1403、1141和873 cm?1处吸收带分别对应纤维素、半纤维素和木质素。拉伸测试得到最大抗拉强度317.74 MPa、杨氏模量19.1 GPa和断裂应变0.017，表明良好的刚度和力学性能。TGA显示在氮气气氛下与水分损失及木质纤维素组分逐步热分解相关的多阶段降解曲线。纤维水提取物对 Escherichia coli 表现出浓度依赖性抗菌活性，在提取物浓度为50和100 μg时分别产生13±0.5 mm和19±0.8 mm的抑制圈。CLSM观察定性表明，纤维提取物处理后细菌活力降低且生物膜结构改变。因此，结果表明 C. citratus 叶纤维具有有利的结构、力学、热和初步生物学特性。
研究背景与问题：天然植物纤维因可持续性、生物相容性和多功能性能，在聚合物及生物医学产业中受到关注。其低密度、比强度、生物降解性及富含木质纤维素的表面化学，有利于增强聚合物基体并进行生物活性功能化；在生物医学应用中还具备非毒性、可调降解和源于植物化学物的固有生物活性。叶、茎、皮等不同植物部位纤维具有不同层级结构、化学组成和力学响应。尽管 Cymbopogon citratus 因精油和药用特性已有较多研究，但其叶纤维作为可持续工程材料的潜力仍 largely unexplored。该研究的新颖性在于将水浸渗香茅纤维的化学、力学、热、抗菌和抗生物膜评价整合于单一框架，目标是研究 C. citratus 纤维的多功能特性及其用于可持续材料应用的适宜性。研究人员通过环境友好水浸渗提取纤维，并采用FTIR、拉伸测试、TGA、琼脂孔扩散抗菌试验和CLSM进行表征，建立纤维化学、热-力学行为与生物活性之间的关系。
关键技术方法（不超过250字）：研究人员采集印度泰米尔纳德邦Tiruvannamalai区Jawadhu Hills地区约5月龄成熟 Cymbopogon citratus 叶片，于28±2°C清水浸渗12天，经刮擦、梳理、清洗和遮阴干燥48 h获得纤维。采用FTIR、单纤维拉伸（ASTM D3822，Instron 3365，5 N载荷传感器，标距25 mm，横梁速度1 mm min
?1，20根纤维）、TGA（ASTM E1131，15±1 mg，室温至800°C，10°C min
?1，氮气50 mL min
?1）、琼脂孔扩散抗菌试验（Escherichia coli约1×10
6 CFU mL
?1，50与100 μg mL
?1提取物，每孔100 μL）以及CLSM（100 μg mL
?1提取物处理盖玻片30 min，E. coli生物膜37°C培养24 h，AO/PI活死染色，Leica TCS SP8，488/561 nm，40×物镜，1 μm z-stack）。
研究结果：
（1）抗菌活性（Antibacterial activities of Cymbopogon citratus fiber）：通过琼脂孔扩散法评价 CCF 对 Escherichia coli 的抗菌活性。阳性对照链霉素（10 μg）产生21±1.0 mm抑制圈，阴性对照无抑制圈，表明观察到的抗菌活性来自CCF提取物。CCF提取物呈浓度依赖性抗菌响应，50和100 μg时抑制圈分别为13±0.5 mm和19±0.8 mm；抑制圈直径增加46%。由于提取物与标准抗菌剂浓度不同，不宜直接定量比较；仍需MIC（minimum inhibitory concentration，最低抑菌浓度）和MBC（minimum bactericidal concentration，最低杀菌浓度）等定量研究。讨论将抗菌行为与FTIR显示的羟基、纤维素/醚键及残留植物化学物联系起来，涉及膜通透性、蛋白变性、代谢酶抑制、核酸合成干扰以及革兰阴性菌外膜脂多糖层被萜类/酚类 destabilize 等机制，并认为木质纤维素结构可作为生物活性化合物储库，形成超出常规增强纤维被动作用的多功能抗菌效果。
（2）生物膜分析（Biofilm analysis of Cymbopogon citratus fiber）：采用CLSM结合AO/PI（Acridine Orange/Propidium Iodide，吖啶橙/碘化丙啶）活死染色评价CCF对 Escherichia coli 生物膜的抗生物膜作用。未处理对照组显示强烈且均匀的绿色荧光、红色荧光可忽略，覆盖连续致密，表明致密生物膜以活菌为主。CCF处理组绿色荧光明显降低、红色荧光明显增加，叠加图像显示生物膜基质被破坏、细胞分布不连续、致密度降低。荧光强度分布进一步支持处理组红色荧光增加而绿色信号较低，提示膜通透性增加和受损/非活菌比例升高。该CLSM研究主要提供定性和半定量证据；生物膜生物量、活菌计数、EPS（extracellular polymeric substance，胞外聚合物）含量及统计图像分析不在本研究范围，仍需进一步定量研究。
（3）FTIR分析（FTIR analysis of Cymbopogon citratus fiber）：FTIR显示典型木质纤维素结构。3360.69 cm
?1宽吸收带为纤维素、半纤维素、木质素及吸湿羟基的O–H伸缩振动；2048.75 cm
?1弱峰归因于 overtone 或组合振动；1794.86 cm
?1对应半纤维素和残留果胶物质的羰基（C=O）伸缩；1402.59 cm
?1为纤维素链C–H弯曲和CH
2剪式振动，提示纤维素贡献；1140.79 cm
?1为纤维素和半纤维素中糖苷键的C–O–C不对称伸缩；873.33 cm
?1为相邻葡萄糖单元β-糖苷键，常见于天然植物纤维的纤维素I结构；711.42、557.84和417.07 cm
?1位于指纹区，与骨架振动、环变形及面外弯曲有关。FTIR说明纤维具有化学活性木质纤维素架构，并为力学完整性、热稳定性和生物活性提供机制线索。
（4）拉伸强度（Tensile strength of Cymbopogon citratus fiber）：单纤维拉伸呈近线性应力–应变响应，显示刚性和弹性承载特征。极限抗拉强度为317.74±1.98 MPa，对应应变0.017；由初始线性弹性区（0至305 MPa、应变0至0.016）计算杨氏模量约19.1 GPa。线性应力增长表明载荷主要由富含纤维素的微纤丝网络承担；有限断裂应变表明分子迁移和微纤丝滑移受限；无明显屈服区或塑性变形提示脆性断裂，可能与刚性纤维素–半纤维素–木质素网络、强分子间键合及微结构缺陷处应力集中有关。该纤维适合强调强度、刚度和尺寸稳定性而非高延伸率的轻质、半结构及可持续聚合物复合材料应用。
（5）热稳定性（Thermal stability of Cymbopogon citratus fiber）：TG–DTG分析显示多阶段降解。150°C以下DTG峰76.53°C和136.62°C，速率分别为?0.831和?0.564% min
?1，归因于物理吸附水、与富羟基多糖结合的 bound water 及蜡、色素、果胶等低分子提取物挥发。约150–380°C逐渐失重，与半纤维素降解和有序度较低的无定形纤维素分解有关。408.04–459.25°C出现明显DTG峰433.71°C，归因于耐热纤维素组分、富木质素组分及中间碳质结构分解。637.18–756°C出现第二阶段主要事件，DTG峰721.74°C，对应早期形成的碳质炭分解及高度缩合木质素衍生芳香结构降解。最终残余质量约73–75%，高于许多常规天然纤维，可能来自炭形成、木质素衍生芳香碳结构及天然无机矿物组分；不能仅据此解释为热稳定性优异，仍需灰分、元素或矿物学分析确定无机物贡献。结果提示该纤维对许多中等温度加工的聚合物复合材料具有足够热稳定性。
讨论总结：讨论强调CCF的抗菌和抗生物膜行为与FTIR揭示的富羟基、醚键和羰基活性表面以及残留酚类、萜类植物化学物相关；拉伸行为与纤维素微纤丝网络及刚性木质素相关；热行为与水分去除、半纤维素分解、纤维素解聚、木质素断裂、炭形成和炭分解的序列相关。高残炭率需进一步分析，CLSM结果主要为定性和半定量证据。原文结论翻译如下：Cymbopogon citratus 叶纤维通过环境友好水浸渗工艺成功提取，并对其物理化学、力学、热、抗菌和抗生物膜特性进行了综合评价。FTIR分析提示纤维的木质纤维素组成，显示特征性羟基、醚键和纤维素相关官能团，有助于表面反应性和潜在纤维–基体相互作用。纤维抗拉强度为317.74 MPa，断裂应变约0.017，表明良好的力学强度和刚度，适合轻质增强应用。对 Escherichia coli 的抗菌评价显示浓度依赖性活性，50和100 μg时抑制圈分别为13±0.5 mm和19±0.8 mm；提示纤维未来可能用于抗菌包装、卫生材料和生物基表面应用，但在确认实际生物医学或工业用途前仍需耐久性、细胞毒性、长期抗菌稳定性和材料级性能研究。CLSM观察显示纤维处理后细菌活力降低和生物膜架构破坏，提示潜在抗生物膜功能。TGA显示涉及水分去除、木质纤维素组分分解以及富木质素和碳质残余物降解的多阶段曲线，表明对生物基材料加工具有足够热稳定性。综合力学、热和生物性能，C. citratus 纤维可能适用于可持续聚合物复合材料、可生物降解包装材料、抗菌表面、绝缘产品及其他环境友好生物基应用。建议进一步开展SEM（scanning electron microscopy，扫描电子显微镜）、XRD（X-ray diffraction，X射线衍射）、吸湿、耐久性、细胞毒性及复合材料制备研究，以充分确定其应用潜力。
